人教版高中物理选修34第十五章相对论简介基础知识梳理

人教版高中物理选修34第十五章相对论简介基础知识梳理人教版高中物理选修34第十五章相对论简介基础知识梳理8/8人教版高中物理选修34第十五章相对论简介基础知识梳理第十五章相对论简介15.1相对论的出生一、经典的相对性原理惯性系与非惯性系惯性系:若是牛顿运动定律在某个参照系中成立,这个参照系就叫惯性系。地面参照系是惯性系,相关于它做匀速运动的汽车、轮船作为参照系也是惯性系。非惯性系:若是牛顿运动定律在某个参照系中不能够立,这个参照系就叫非惯性系。我们坐在加速的车厢里,以车厢为参照系察看到路边的树木、房子向后方加速运动,依照牛顿运动定律,房子、树木应该碰到不为零的协力作用,但事实上房子、树木所受的协力为零,也就是牛顿运动定律不能够立。这里加速的车厢就是非惯性系,也就是说在非惯性系中力学规律不同样样。2.伽利略相对性原理表述1:力学规律在任何惯性系中都是同样的。表述2:在一个惯性参照系内进行的任何力学实验都不能够判断这个惯性系可否相关于另一个惯性系做匀速直线运动。表述3:任何惯性参照系都是平权的。二、相对性原理与电磁规律1.相对性原理与电磁规律之间的矛盾麦克斯韦的电磁理论得出的电磁波的速度不波及参照系,也就是说在不同样样的参照系中光速不变。依照相对性原理,在不同样样的参照系中察看到的光速应与参照系相关。在经典力学中若是某一惯性系相对另一个惯性系的速度为??,在此惯性系中有一物体速度为c，那么,此物体相关于另一惯性系的速度是c+??吗?依照伽利略相对性原理,答案是必然的。实验现象表示，不论光源和察看者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．迈克耳孙一莫雷实验实验装置以以以下图实验内容:转动干预仪,在水平面内不同样样方向进行光的干预实验,干预条纹并没有预期搬动。实验结论:光沿任何方向流传时,相关于地球的速度同样。可见光和电磁波的运动不依照伽利略相对原理.任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是????×??????/??。伽利略相对性原理和爱因斯坦相对性原理的差别：伽利略相对性原理指的是力学现象对所有惯性系来说,都依照同样的规律;也许说,在研究力学规律时,所有惯性参照系都是等价、平权的,因此无法借助力学的手段确定惯性系自己的运动状态。爱因斯坦相对性原理指的是物理规律(不论是力学规律仍是电磁规律)在所有惯性参照系中都是同样的,因此各个惯性系都是等价的,不存在特其他、绝对的惯性系.故爱因斯坦的狭义相对性原理所指范围更大,内容更丰富。三、狭义相对论的两个基本假定1.狭义相对性原理在不同样样的惯性参照系中,所有物理规律都是同样的。2.光速不变原理真空中的光速在不同样样的惯性参照系中都是同样的,光速与光源察看者间的相对运动没相关系。在两个假定的基础上爱因斯坦成立了一套圆满的理论——狭义相对论四、对光速不变原理的理解1.真空中的光速不变真空中的光速在不同样样的惯性参照系中都是同样的,光速与光源、察看者间的相对运动没相关系。“超光速”不存在依照麦克斯韦的电磁理论能够直接获取真空中电磁波的速度等于光速c,那么此速度是相关于哪个参照系的呢?若是它相关于参照系S是正确的,其他还有一个参照系S’,S’相关于S以速度v运动,若依照速度合成法例,光相关于S’的速度应是也许是c+v,而不是c，若是c+v,这不是就存在“超光速”了?事实上由c-v相对论可知,光在真空中的速度是极限速度,是不变的,因此伽利略速度合成法例在这里是不适用的。这是爱因斯坦在先人的实验基础上提出的假定,这个假定是狭义相对论的基础.之因此称为假定,是由于它只依照迈克耳孙一莫雷实验有限的几次实验提出的,还没有经过数学的逻辑推理在大量的结论跟事实符合后,就成为狭义相对论原理。第十五章相对论简介15.2时间和空间的相对性一、“同时”的相对性两种时空观对“同时”的认识经典的时空观:在同一个惯性系中不同样样地址同时发生的两个事件,在另一个惯性系察看也是同时的。相对论的时空观:“同时”拥有相对性,即在同一个惯性系中不同样样地址同时发生的两个事件,在另一个惯性系中察看不用然是同时的。对“同时”相对性的理解车上的察看者认为：闪光从光源到前壁和后壁的距离相等,依照光速不变原理,闪光同时抵达前后两壁;车下的察看者认为：闪光从光源到后壁的距离比到前壁的距离短，依照光速不变原理,闪光先抵达后壁,后抵达前壁。二、长度的相对性两种见解对“长度”的认识经典的时空观:一条杆的长度不会由于察看者可否与杆做相对运动而不同样样。相对论的时空观:“长度”也拥有相对性,一条沿自己长度方向运动的杆,其长度总比静止时的长度小,但在垂直于运动方向上,杆的长度没有变化。2.狭义相对论的长度变换公式设相对杆静止的察看者认为杆的长度为??,与杆有相对运动的人认为杆的长度为????,杆相关于察看者的速度为??,则??、??、??的关系??????=?????-????????3.对长度缩短的理解????察看者与被测物体有相对运动时,长度的测量值等于其原长的???-????????（???-??<??）),即物体沿运动方向缩短了,即“动棒缩短”.??察看运动的物体其长度要缩短,缩短只出现在运动方向.长度在垂直于运动方向上没有缩短效应.长度缩短是相对的,K系认为静止则在K’系中的尺缩短,反之K’系认为静止则在K系中的尺缩短.诚然结果不同样样,可是物体自己并未缩短.低速空间相对论效应可忽略.我们平常察看不到这种长度缩短效应,是由于我们生活在比光速低很多的低速世界里,这种现象极不明显。即使运动物体的速度达到v=30000km/s(

即

0.1c),

长度缩短效应也只可是是

??

。因此,在低速运动中

,??<<??????????,??≈??。长度缩短效应可忽略不计。??三、时间间隔的相对性经典的时空观某两个事件,在不同样样惯性系中察看,它们的时间间隔总是同样的。相对论的时空观两个事件,在不同样样的惯性系中察看,它们的时间间隔是不同样样的,两个惯性系的相对速度越大,时间进行得越慢。不单这样,所有物理、化学过程和生命过程都变慢了。相对时间间隔公式设△T表示静止的惯性系中察看的时间间隔,△t表示以??高速运动的参照系中察看同样两事件的时间间隔,则它们的关系是△t=△T。???????-????注意：“动钟变慢”(或“时间膨胀”)是两个不同样样惯性系进行时间比较的一种效应不要误认为是时钟的构造或精度因运动而发生了变化。运动时钟变慢圆满部是相对的,由于两个惯性参照系是平权的,他们(察看者)都将发现对方的钟变慢了。四、经典时空观与相对论时空观的主要差别1.经典时空观经典物理学认为空间和时间是走开物质而存在的,是绝对的,空间与时间也是没有联系的。2.相对论时空观相对论则认为空间和时间与物质的运动状态相关。前面已经看到,在一个确定的参照系中察看,运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进度)都跟物体的运动状态相关。五、狭义相对论的几个主要结论相对事件发生地或相对事件发生地或物体运动的参照系中观物体静止的参照系察中察看“同时”的相对性事件同时但不同样样地事件不同样样时发生点发生时间间隔的相对性两个事件发生的时

两事件发生的时间间隔变大△t=

△T间间隔为△T长度的相对性杆的长度为????

???????-????若参照系沿杆的方向运动,察看到的杆的长度减小??????=?????-????说明：以上结论是狭义相对论的必然结论,而狭义相对论的正确性已被实考证实,因此以上结论是高速世界中必然发生的现象,是客观存在的事实,绝不是人们的主观胰造,人们之因此平常察看不到这些现象,是由于我们生活在低速运动的世界里。第十五章相对论简介15.3狭义相对论的其他结论一、相对论速度变换公式1.公式以以以下图,以高速运动的火车为例,设车对地面的速度为??,车上的人以速度u’沿着火车前进的方向相对火车运动,那么他对地面的速度??=u'+??′??????+????2.对公式??=u'+??′的理解??????+????若图中车上人的运动方向与火车运动方向相反,式中u’取负值.若两者运动方向垂直或成其他角度,上式不适用。当u’=c时,不论??有多大,总有u=c。表示,在不同样样参照系中察看,光速都是同样的,这与相对论的第二个假定--光速不变原理相一致。′(3)关于速度远小于光速的状况：u<<c,u‘<<c,这时??????能够忽略不计,相??对论的速度变换公式能够近似变成u=u’+??。该变换公式只适用于同素来线上匀速运动过程中的速度的变换,关于更复杂的状况不适用。说明：相对论并没有推翻牛顿力学,也不能够说牛顿力学过时了,而应说相对论使牛顿力学的使用范围变得更清楚了。二、相对论质量经典力学物体的质量是不变的,因此必然的力作用在物体上,产生的加速度也是必然的。这样,经过足够长的时间今后,物体就能够达到任意的速度。相对论质量物体以速度??运动时的质量m与静止时的质量m之间的关系：0

??????=???????-????3.对证速关系式??=????的理解???????-????(1)式中的m是物体静止时的质量(也称静止质量),m是物体以速度??运动时的质0量，这个关系式称为相对论质速关系式,表示物体的质量会随速度的增大而增大。(2)???c时,近似地有m=m.宏观物体的速度是不能够能增大到与光速相等的,但关于没有静止质量的粒子(如光子),运动时的质量m总要大于静止时的质量m,却能够达到光速。0相对论质量与速度的关系不单是理论推导的结果，同样也获取了实验的考证。比方盘旋加速器中加速粒子的质量与速度的关系，盘旋加速器中被加速的粒子质量会变大,致使粒子做圆周运动的周期变大后,它的运动与加在D形盒上的交变电压不再同步,盘旋加速器中粒子的能量因此碰到了限制。微观粒子的运动速度很高,它们的运动质量明显大于静止时的质量。三、质能方程1.爱因斯坦质能方程2.对证能方程的理解质能方程表达了物体的质量和它所拥有的能量的关系:必然的质量总是和必然的能量相对应。2静止物体的能量E=mc，这种能量叫做物体的静能量。每个有静质量的物体都00拥有静能量。2(3)由质能关系式可得△E=△mc2△m表示质量的变化量,该式意味着当质量减少△m时,要释放出△E=△mc的能量.这个方程常应用在核能的开发和利用上,若是系统的质量损失△m,就意味着有△E的能量释放。22(4)以速率??运动的物体的动能E=mc-mck0特别提示：(1)经典力学中动能的定义公式E????只适用于低速运动的物体对高速运动=,k??????,的物体,其质量较静止质量会发生明显的变化,故该定义公式对高速运动(能与光速c比较较)的物体不再适用。(2)爱因斯坦质能方程为首创原子能时代供应了理论基础。当物体静止时,它自己蕴16含着一份很大的能量,如:m=1kg,其静止能量E=9×10J.而我们平常所利用的物体0022的动能可是是mc和mc之差。0四、对证能方程的进一步理解质量和能量的差别不能够把质量和能量混作一谈,不能够认为质量消失了,只剩下能量在转变,更不能够认为质量和能量能够相互转变。在所有过程中,质量和能量是分别守恒的,只有在微观粒子的裂变和聚变过程中有质量损失的状况下才会有质能方程的应用。2.物体的动能22(1)静止物体的能量为E=mc(2)运动物体的能量为E=mc00物体动能的推导2质能方程E=mc真实的含义是指物体质量和能量之间的关系,那么就会有静止时的能量和运动时的能量,两能量之差就是物体的动能Ek。2????c2E=E-EE=E=mc，k0，????，00???-??????当??很小时,即???1时,依照数学公式有

2则E=mck0-????[1-??]??

（??-1）?????????-??????????????+????(该数学2公式不要求掌握计算过程),E=E-E≈??m??这进一步说了然牛顿力学是相对论力k0??0学在???c时的特例.(4)物体的动能增加时,物体对应的质量也增大????,此时能够依照△m=????求出物体增加的??质量。特别提示：2有人依照E=mc得出结论说“质量能够转变成能量,能量可能转变成质量”,这是对相对论的误会,事实上质量绝不会变成能量,能量也绝不会变成质量.一个系统能量减少时,其质量也相应减少,另一个系统因接收能量而增加能量时,其质量也相应增加,对一个关闭的系统,质量是守恒的,能量也是守恒的。在速度远小于光速时,能够认为质量是不变的,但速度凑近光速时,质量的变化必然要考虑。第十五章相对论简介15.4广义相对论简介一、广义相对性原理和等效原理狭义相对论无法解决的问题万有引力理论无法纳入狭义相对论的框架。惯性参照系在狭义相对论中拥有特其他地位。广义相对性原理在任何参照系中,物理规律都是同样的。等效原理一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参照系等价。这意味着,一个